Page 6 - GMB-Vol.01-No.04

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基因组学与医学生物学
(
网络版
), 2012
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Jiyinzuxue Yu Yixue Shengwuxue (Online), 2012, Vol.1, No.4, 23
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巨大,与人类关系密切,且繁殖代时短、进化速度快、
众多致病菌可造成人类感染性疾病;在水体、土壤等
自然环境和呼吸道、消化道等人体环境中的菌群中,
水平基因转移现象十分普遍,与致病菌新功能的获
得、新型致病菌的出现关系密切
(Dobrindt et al., 2004;
Gogarten and Townsend, 2005; Wirth et al., 2006)
。近年
来出现的新发或再发传染性疾病中,多种常见病原菌
出现了新的功能特点,经过研究其原因往往是获得了
新的基因
(Wu et al., 2011)
。因此对于与细菌获得新功
能密切相关的重要元件
——
基因组岛,应予以足够的
关注和研究。现将当前国内外对致病菌基因组岛的研
究进展综述如下。
1
细菌基因组岛的结构特点
细菌基因组多数包含一至二个环状或线性的
染色体及数目不等的质粒,其中染色体为细菌生存
和分裂所必需。目前已完成全基因组测序的细菌有
1 400
余个,对这些细菌基因组结构的研究表明,细
菌的基因以操纵子的方式组构,功能相关的操纵子
在位置上常常相邻,形成具有一定功能和特点的岛
结构。基因组岛为细菌基因组上的特定区域,与水
平基因转移密切相关,其结构往往具有以下一些特
(Boyd et al., 2009; Juhas et al., 2009)
(1)
鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸和胞嘧啶脱氧核糖
核苷酸
(GC)
含量往往与基因组其他区域差异较大;
(2)
基因组岛内往往具有与基因重组、转移相关
的功能基因;
(3)
基因组岛内的基因,三联密码子的使用频率
与全基因组有一定差异;
(4)
该区域两侧往往有特定的序列片段,如正、
反向重复序列或
tRNA
、转座酶识别位点等。
典型的基因组岛往往具有以上特点中的数个。
以中国科学院微生物研究所高福教授团队发现的
猪链球菌血清
2
型基因组上携带的
89K
致病岛为例
(Li et al., 2011)
,该区域
GC
含量为
36.8%
,而猪链球
菌全基因组的平均
GC
含量为
41.4%
;该片段内含有
转座子
Tn916
和其它两个与基因移动相关的基因,
含有
DNA
整合酶和重组酶以及可将
DNA
分子、蛋白
分子移出菌体的四型分泌系统;该岛两侧具有正向
重复片段,能够在从基因组切离后发生环化,形成
类似质粒的环状
DNA
分子。研究者进一步通过实验
验证了该环状
DNA
分子在猪链球菌中可以通过四
型分泌系统而发生转移。
2
致病菌基因组岛的功能和移动性
基因组岛上往往携带特定的功能基因,可以使
细菌获得新的功能。这些功能与细菌的致病性、耐
药性、环境适应性等密切相关。很多已证实的基因
组岛命名也往往根据功能而来。
2.1
基因组岛的功能
与致病性相关的基因组岛常称为致病岛
(pathogenicity island, PAI) (Hacker and Kaper, 2000)
如猪链球菌血清
2
型的
89K PAI
岛,霍乱弧菌的
VPI
岛等
(Chen et al., 2007; Jermyn and Boyd, 2002; 2005)
我国
1998
年在江苏江阴、
2005
年在四川资阳发
2
次血清
2
型猪链球菌病大流行,病人表现出了罕
见的
链球菌中毒性休克综合征
。在分离到的新型
高致病性强毒株中,均发现了
89K PAI
岛的存在,
并经实验证实了该岛与血清
2
型猪链球菌致病性的
提高密切相关
(Chen et al., 2007)
。对该
PAI
岛的序列
研究表明,其上存在整合酶及其辅助蛋白、四型分
泌系统、毒素-抗毒素系统等一系列功能基因。
与耐药相关的基因组岛常称为耐药岛,如耐甲
氧西林金黄色葡萄球菌
(MRSA)
携带的
SCCmec
药岛
(Kriegeskorte and Peters, 2012)
MRSA
目前已
经成为了世界性的难题
(Cookson, 2011; Köck et al.,
2010)
,而新的耐药菌如耐万古霉素金黄色葡萄球菌
(VRSA)
、超级耐药菌
NDM
-
1
(Chen et al., 2011)
其出现也均被证实与耐药基因岛在细菌之间的传
递密切相关。
2.2
基因组岛在细菌间移动的途径
致病菌基因组岛主要通过水平基因转移,如转
化、接合和转导等途径在细菌之间转移。四型分泌
系统已经被证实可以分泌
DNA
分子
(Li et al., 2011)
当基因组岛由供体菌分泌后,可被受体菌直接摄
入,通过转化的方式获得。通过质粒在细菌间的传
播而实现基因传递也是基因组岛在细菌间移动的
重要途径之一,已经发现了多种携带耐药基因的质
粒,通过接合作用使耐药基因得以播散
(Kirchner et
al., 2011)
。此外,温和噬菌体进入溶菌性周期后,
可将宿主
DNA
装入外壳,或在从宿主基因组切离的
过程中将宿主部分
DNA
片段一并切离,从而通过转
导作用将新基因转入受体菌中。
3
致病菌基因组岛的预测和识别
已确认的基因组岛的特点,包括
GC
含量异常、
5TH